Energie - naturwissenschaftliche Grundlagen

Energie - naturwissenschaftliche Grundlagen
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Mediennummer: 2000004
Medienart: Übungspaket (Siemens Stiftung)

Kurzbeschreibung:

Der Begriff "Energie" wird im Alltag sehr selbstverständlich verwendet, aus wissenschaftlicher Sicht aber nicht immer im richtigen Zusammenhang.

Die Medien dieses Medienpakets sollen dabei unterstützen, die Definitionen und wichtigsten naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten zum Themenkomplex "Energie" zu vermitteln, ausgehend von den Lehrplänen für die Klassenstufen 7 - 10 und für die Fächer Physik, Chemie und Biologie. Inhaltlich wird dabei der Bogen von der reinen Begriffsklärung (Arbeit, Energie und Leistung) bis hin zu den Energieerhaltungssätzen und zur Thermodynamik gespannt.

Das Medienpaket umfasst Diagramme, Übersichtsgrafiken, Simulationen, Sachinformationen, Aufgabenblätter, eine Experimentieranleitung, einen Film, ein Online-Lexikon und einen Leitfaden für die Lehrkraft mit fachlichen Hintergrundinformationen.

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber:

 

Copyright: © Siemens Stiftung 2014. Alle Rechte vorbehalten. Nur verfügbar für registrierte Nutzer.

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Chemische Energie 2100070 Chemische Energie
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Sprache: Deutsch

Kurzbeschreibung:

Diagramm:

Chemische Energie als Bindungsenergie zwischen Atomen in der Darstellung als Potenzialkurve.

 

Sowohl in der Bindung von Atomen und Molekülen als auch in der Möglichkeit (Potenzial) zur chemischen Bindung steckt chemische Energie. Diese kann bei der Bildung oder beim Zerfall der Bindungen in Form von Wärme frei werden. Diese "Reaktionswärme" wird auch als Reaktionsenthalpie (H) bezeichnet. Wird Wärme frei (dH < 0), so spricht man von einer exothermen Reaktion, wird Wärme verbraucht (dH > 0) von einer endothermen.

Jedes Gemisch von Ausgangsstoffen, das zu Endstoffen reagieren kann, ist also als ein Potenzial an chemischer Energie aufzufassen.

Mikroskopisch steckt diese chemische Energie in den Bindungen zwischen einzelnen Atomen, wie es anhand der Potenzialkurve illustriert wird.

 

Hinweise und Ideen:

Chemische Energie ist eine Energieform, die sich gut speichern lässt - sei es im menschlichen Körper oder in Batterien und Akkus. Ein weiteres Beispiel ist Wasserstoff als chemischer Energiespeicher für regenerative Energien.

 

Fächer: Chemistry, Physics, Chemie, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: MediaHouse GmbH

 

Copyright: © Siemens Stiftung 2009. Alle Rechte vorbehalten. Nur verfügbar für registrierte Nutzer.


Schlagwörter:

Diagramm, Energie, Energieerzeugung, Energieversorgung, Erneuerbare Energie

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Energiequellen für elektrischen Strom 2100121 Energiequellen für elektrischen Strom
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Sprache: Deutsch

Kurzbeschreibung:

Schemagrafik:

Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.

 

Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie ("Strom"). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.

Wasser- und Windkraft können direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie.

 

Hinweise und Ideen:

Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.

 

Fächer: Chemie, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Rechteinhaber: MediaHouse GmbH unter Verwendung von Medien von: Von I\\, Dergenaue\\, CC BY-SA 3.0\\, (Generator\\; Lizenz: CC BY-SA 3.0)\\, Von de:User:Igelball - first upload: July 27\\, 2003 - de:Wikipedia\\, CC BY-SA 3.0\\, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=70192 (Gastank\\; Lizenz: CC BY-SA 3.0)

 

Lizenz: © Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)


Schlagwörter:

Diagramm, Energie, Energieerzeugung, Erneuerbare Energie, Kernkraftwerk, Ökologie, Umweltschutz

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Magnetische Energie 2100319 Magnetische Energie
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Sprache: Deutsch

Kurzbeschreibung:

Übersichtsgrafik:

Zwei Erscheinungsformen magnetischer Energie werden gegenübergestellt: die magnetische Energie einer stromdurchflossenen Spule und die eines Elementarmagneten.

 

Magnetische Energie ist die Energie, die in einer stromdurchflossenen Spule in Form ihres Magnetfelds gespeichert ist. Sie resultiert aus der Arbeit, die der Strom gegen die induzierte Spannung (Faraday?sches Induktionsgesetz) verrichten muss. Umgekehrt wird diese magnetische Energie wieder als Strom frei, wenn das Magnetfeld abgebaut wird. Auch in einem magnetisierten Stoff ist magnetische Energie gespeichert: Sie entspricht der Arbeit, die aufzuwenden ist, um die magnetische Dipole dieses Stoffs in einem äußeren magnetischen Feld auszurichten. In ferromagnetischen Materialien richten sich die magnetischen Dipole in kleinen Bereichen ("Weiß?sche Bezirke") auch ohne äußeres Magnetfeld aneinander aus. Richtet man nun die Weiß'schen Bezirke durch ein äußeres Magnetfeld aus, erhält man einen Permanentmagneten.

Übrigens: Erhitzt man einen Permanentmagneten, so verliert er oberhalb einer kritischen Temperatur seine Magnetisierung. Die magnetische Energie wird bei dieser sog. Curie-Temperatur als zusätzliche Wärme frei.

 

Hinweise und Ideen:

Ein einfaches Experiment zur Magnetisierung: Ein Permanentmagnet magnetisiert durch Darüberstreichen einen Eisennagel. Welche Arbeit muss außer der Reibungsarbeit dabei aufgewendet werden? Wird dabei der Permanentmagnet bzw. dessen magnetische Energie "verbraucht"?

 

Fächer: Physics, Technology, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: MediaHouse GmbH

 

Copyright: © Siemens Stiftung 2009. Alle Rechte vorbehalten. Nur verfügbar für registrierte Nutzer.


Schlagwörter:

Diagramm, Energie, Energieerzeugung, Generator, Magnetismus

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Strahlungsenergie 2100485 Strahlungsenergie
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Kurzbeschreibung:

Diagramm:

Formeln für die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.

 

Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck?sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte.

 

Zahlenbeispiel für die Planck?sche Strahlungsformel:

Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck?schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).

 

Hinweise und Ideen:

Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.

 

Fächer: Physics, Technology, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: MediaHouse GmbH unter Verwendung der Quelle: OSRAM Lichtlexikon

 

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Schlagwörter:

Diagramm, Energie, Energieerzeugung, Erneuerbare Energie, Kraftwerk, Optik, Solarenergie, Solartechnik, Welle (Physik)

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Thermische Energie 2100503 Thermische Energie
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Sprache: Deutsch

Kurzbeschreibung:

Diagramm:

Formeln für die thermische Energie von Gasen sowie die Temperaturabhängigkeit der zugehörigen molaren Wärmekapazität bei konstantem Volumen.

 

Die thermische oder innere Energie eines Stoffs ist die Summe der Bewegungsenergien seiner Atome bzw. Moleküle. Diese Energie ist als Temperatur messbar. Führt man dem Stoff Wärme zu, steigt die Teilchengeschwindigkeit und damit die Temperatur. Bei molekularen Gasen kann die Wärmezufuhr zusätzlich zur translatorischen Bewegung die Anregung anderer Bewegungsformen (Rotation und Schwingung) hervorrufen. Dies drückt sich im stufenförmigen Verlauf der molaren Wärmekapazität aus (Diagramm rechts). Die molare Wärmekapazität eines Stoffs gibt an, wie viel Energie man zuführen muss, um 1 mol eines Stoffs um 1 °C zu erhöhen. Für gasförmige Stoffe gilt: Falls die Gasteilchen sich nur linear bewegen (Translation), ist die Wärmemenge, die zugeführt werden muss, um das Gas um 1 °C zu erhöhen, konstant 3R/2. Im Fall molekularer Gase fangen die Moleküle ab einer bestimmten Temperatur an zu rotieren. In diesem Bereich (linearer Anstieg im Diagramm) muss man mehr Energie zuführen, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, da die Energie nicht nur in die translatorische Bewegung geht, sondern auch in die Anregung der Rotation. Sind alle Teilchen in Rotation versetzt, so ist die Energie, die zugeführt werden muss, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, wieder konstant 5R/2. Der Anstieg beim Übergang von Rotation nach Schwingung lässt sich analog erklären.

 

Hinweise und Ideen:

Die Übersichtsgrafik fasst das Thema Wärmeenergie am Beispiel Gase zusammen. Ausführliche Erläuterungen und Erläuterungen zur Wärme in Feststoffen findet man im Leitfaden "Was ist Energie?".

 

Fächer: Chemistry, Physics, Technology, Chemie, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: MediaHouse GmbH

 

Copyright: © Siemens Stiftung 2009. Alle Rechte vorbehalten. Nur verfügbar für registrierte Nutzer.


Schlagwörter:

Diagramm, Energie, Energieerzeugung, Kraftwerk, Physik, Wärme

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Aufgaben zum Wirkungsgrad 2101271 Aufgaben zum Wirkungsgrad
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Kurzbeschreibung:

Aufgabenblatt:

Fragen und Rechenaufgaben zum Wirkungsgrad.

 

In Naturwissenschaft und Technik ist der Wirkungsgrad eines Prozesses oder einer Maschine von herausragender Bedeutung. Deshalb ist es unerlässlich, den Wirkungsgrad zu verstehen und ihn berechnen zu können.

 

Hinweise und Ideen:

Gut geeignet zur Vertiefung des Themas "Wirkungsgrad" und zum Üben einfacher physikalischer Berechnungen.

Die Schülerinnen und Schüler können zusätzlich noch Wirkungsgrade von Wärmekraftmaschinen, Kraftwerken usw. recherchieren und in Form einer Wertetabelle zusammenstellen.

Die Lösungen zu den Aufgaben findet man im gleichnamigen Lösungsblatt auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.

 

Fächer: Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Rechteinhaber: MediaHouse GmbH

 

Lizenz: © Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)


Schlagwörter:

Energie, Leistung (Physik), Motor, Physik, Turbine

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Aufgaben zum Wirkungsgrad (Lösung) 2101272 Aufgaben zum Wirkungsgrad (Lösung)
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Kurzbeschreibung:

Lösungsblatt:

Zum gleichnamigen Arbeitsblatt

 

Hinweise und Ideen:

Nähere Informationen finden Sie im zugehörigen Arbeitsblatt "Aufgaben zum Wirkungsgrad", das auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.

 

Fächer: Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Rechteinhaber: MediaHouse GmbH

 

Lizenz: © Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)


Schlagwörter:

Energie, Leistung (Physik), Motor, Physik, Turbine

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Wärme, Enthalpie und Entropie 2102178 Wärme, Enthalpie und Entropie
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Kurzbeschreibung:

Sachinformation:

Die Bedeutung der Begriffe Wärme, Enthalpie und Entropie sowie die zugehörigen Formeln im Überblick.

 

In der Physik, Thermodynamik und der Chemie sind neben der Energie die Größen Wärme, Enthalpie und Entropie von zentraler Bedeutung, wenn es darum geht, das Verhalten von Prozessen vorherzusagen.

 

Hinweise und Ideen:

Überblicksinformation für die Schülerinnen und Schüler.

 

Fächer: Chemistry, Physics, Technology, Chemie, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: MediaHouse GmbH

 

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Schlagwörter:

Energie

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Lexikon Energiewelten 2102227 Lexikon Energiewelten
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Kurzbeschreibung:

Webressource:

Dieses Lexikon erklärt alle wichtigen Begriffe zum Thema Energie - von A wie "Abbau - Steinkohle" bis Z wie "Zwischenlagerung - Brennelemente".

 

Umfassendes Nachschlagewerk zum Thema Energie.

 

Hinweise und Ideen:

Als Recherchequelle für Referate oder Projekte einsetzbar.

 

Fächer: Chemistry, Physics, Technology, Chemie, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Urheber: Dieser Link ist ein Verweis auf fremde Inhalte und impliziert keinerlei Ansprüche auf oder Aussagen über die Rechte an diesen Inhalten.

 

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Schlagwörter:

Energie, Energieerzeugung, Energieversorgung, Erneuerbare Energie, Ökologie, Umwelt (allgemein), Umweltschutz

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Blitz - elektrische Energie vom Himmel 2100064 Blitz - elektrische Energie vom Himmel
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Kurzbeschreibung:

Foto:

Blitzschlag zwischen Erde und Wolke - ein schönes Beispiel für elektrische Energie in der Natur.

 

Aufsteigende Luftströme erzeugen aus mechanischer Energie durch Reibung Elektrizität in Form elektrisch aufgeladener Wolken bis zu einer Ladung von ca. 20 As (Amperesekunde). Wenn der Spannungsunterschied zwischen der Gewitterwolke und der Erde über 100 Mio. V beträgt, kommt es zu einer gewaltigen Entladung als Lichtbogen. Da die Entladung in Bruchteilen einer Sekunde erfolgt, können hohe Stromstärken bis 100.000 A auftreten. Bei einer Entladungszeit von z. B. 0,4 ms, beträgt die Stromstärke 50.000 A. Bei dieser Stromstärke liegt die Leistung eines Blitzes bei 5 Terawatt (TW). 1 TW entspricht einer Billion Watt. Dabei wird eine Energie von 560 kWh freigesetzt.

 

Hinweise und Ideen:

Zur Vertiefung könnte die Physik der Gasentladung angesprochen werden. Interessant ist es auch, den Energieinhalt eines Blitzes zu berechnen und mit dem Heizwert von Benzin zu vergleichen. Welcher Benzinmenge entspricht die Energie eines Blitzes? Ein weiteres Beispiel für das Vorkommen elektrischer Energie in der Natur sind Zitteraale, sie produzieren die elektrische Energie aus einer biochemischen Reaktion.

 

Fächer: PSHE, Physics, Technology, Sachkunde, Physik

 

Bibliografie: Siemens Stiftung

 

Rechteinhaber: MediaHouse GmbH

 

Lizenz: © Siemens Stiftung 2016. CC BY-SA 4.0 international


Schlagwörter:

Elektrizität, Energie

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